Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
С каждым актиновым филаментом тесно ассоциированы два вспомогательных белка, тропомиозин и тропонин, главная функция которых заключается в регуляции мышечных сокращений в зависимости от концентрации ионов Са2+ и, следовательно, нервных импульсов. Жесткие палочковидные а-спиральные молекулы тропомиозина длиной ~ 400 А лежат в продольных бороздках, тянущихся вдоль актинового филамента, придавая тем самым двойной спирали F-актина необходимую жесткость (рис. 1.32). Глобулярная форма тропонина построена из трех разных субъединиц (тропонины Т, I и С). Тропонин Т имеет участок для связывания тропомиозина и ответственен за прикрепление всего комплекса к актиновому филаменту. При добавлении тропонина I к тропонину Т и тропомиозину образуется комплекс, препятствующий взаимодействию актина с миозином даже в присутствии ионов Са2+. При наличии тропонина С этот комплекс продолжает
Тропомиозин Актин
I С Т
I_______I
Тропониновый комплекс
Рис. 1.32. Схематическое изображение тонкого филамента скелетной мышцы
123
блокировать взаимодействие миозина с актином, но только в отсутствие Са2+. При появлении в среде свободного кальция тропонин С связывает четыре иона Са2+ и в таком состоянии снимает блокаду. Именно этот эффект и лежит в основе возбуждения мышечного сокращения ионами кальция. К вопросу о том, каким образом тропо-миозин и тропонин контролируют взаимодействие миозина с актином, вернемся после рассмотрения структурной организации толстых фила-ментов.
Структура миозиновых нитей. Содержание миозина, актина, тропо-миозина и тропонина в миофибриллах составляет примерно 55, 25, 15 и 5% соответственно. Отличительная черта миозина скелетных мышц заключается в его способности спонтанно образовывать в условиях in vitro гигантские полимерные комплексы, намного превосходящие агрегаты миозина немышечных тканей. Из скелетных мышц миозин извлекается концентрированными солевыми растворами, в которых он хорошо растворим. Обработанная таким образом мышца теряет только толстые филаменты, которые распадаются на составляющие их молекулы миозина, имеющего молек. массу ~ 520 кДа. При обработке концентрированным раствором мочевины или другим детергентом молекула миозина распадается на шесть полипептидных цепей: две идентичные тяжелые цепи с молекулярной массой ~ 220 и две пары легких цепей с молекулярной массой ~ 22 и ~ 15 кДа [459—461]. Как впервые с помощью электронной микроскопии установил в 1963 г. X. Хаксли, миозин состоит из двух глобулярных "головок", каждая из которых прикреплена к тяжелой цепи, содержащей длинный участок а-спирали [462]. В нативной молекуле миозина а-спирали двух тяжелых цепей закручены одна вокруг другой в суперспираль, образующую палочковидный хвост, из которого выступают две головки. Каждая головка образована глобулярной частью тяжелой цепи (~ 95 кДа) и включает по одной молекуле легкой цепи двух видов (рис. 1.33).
Толстые филаменты образуются путем ассоциации молекул миозина за счет их палочковидных хвостов: несколько сотен молекул, располагаясь параллельно со сдвигом по длине, формируют пучок, из которого выступают латерально расположенные миозиновые головки (рис. 1.34). Вся структура биполярна. Выступающие головки отсутствуют лишь на небольшом срединном участке филамента, где соединяются два противоположно направленных пучка миозиновых хвостов. Глобулярные головки миозиновых молекул взаимодействуют с актином и образуют поперечные мостики между толстыми и тонкими фила-ментами.
Протеолиз тяжелых филаментов показал, что миозиновая головка дегко отделяется от остальной части белка, образуя так называемый субфрагмент I (SI) и суперспиральный стержень, ответственный за самосборку миозина и создание структурной основы толстых нитей [459, 464]. Субфрагмент I содержит нуклеотидсвязывающий активный центр для АТР, актинсвязывающую поверхность и две области контактов с легкими цепями. Таким образом, глобулярная головка и вне филамента сохраняет все свои функции. Входящие в нее легкие цепи отличаются 124
Г оловка
Миозиновые Гладкая зона головки
Рис. 1.34. Схематическое изображение толстого филамента скелетной мышцы [463]
друг от друга по структуре и свойствам. В некоторых видах миозина они не оказывают заметного влияния на АТРазную активность фермента [465]. Однако в других видах миозина легкие цепи его головки могут участвовать в регуляции гидролиза АТР, но только в присутствии актина [466,467].
Миозин является объектом всестороннего изучения практически на протяжении всего XX столетия. Еще в исследованиях А.Я. Данилевского в конце прошлого века отмечалось, что миозин обладает двойным лучепреломлением. Однако до самого последнего времени все знания о пространственной структуре ограничивались информацией о внешнем очертании молекулы и ее габаритных размерах, полученных с помощью электронной микроскопии. В частности, было известно, что миозиновая головка имеет грушевидную форму ~ 190 А в длину и 50 А в ширину, а двойная спираль хвостового участка соответственно ~ 1500 и ~ 20 А [468-471]. Последние три десятилетия камнем преткновения в определении трехмерной структуры миозина, как и структуры актина, было получение качественных кристаллов белка для рентгеноструктурного анализа. И. Рейменту и соавт. удалось получить требуемые кристаллы, использовав не совсем обычный в белковой кристаллографии прием - N-метилирование боковых цепей всех остатков Lys миозинового фрагмента I в мягких условиях [472]. Для того чтобы убедиться в том, что метилирование не привело к радикальному изменению конформационных и ферментативных свойств белка, авторы подвергли подобной химической модификации лизоцим и не обнаружили после этой процедуры существенных нарушений в трехмерной структуре фермента. Кроме того, были проверены кинетические свойства метилированного миозина SI [473]. Он сохранял каталитическую активность, хотя и наблюдались отклоне-
